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        高壓水分發(fā)生器的研制

        2023-12-07 08:21:46陳潔新胡艷青柴塬李心怡孟蘇呂國(guó)義
        計(jì)測(cè)技術(shù) 2023年5期
        關(guān)鍵詞:氣路露點(diǎn)濕度

        陳潔新,胡艷青,柴塬,李心怡,孟蘇,呂國(guó)義

        (航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100095)

        0 引言

        當(dāng)前對(duì)高溫高壓下的濕度參數(shù)校準(zhǔn)需求日益增多,例如燃料電池、核動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境下,經(jīng)常需要在溫度高于100 ℃的情況下對(duì)相對(duì)濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1];一些干燥行業(yè)也需要對(duì)高溫下的相對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量。目前常用的耐高溫的溫濕度計(jì)包括:瑞士Rotronic 生產(chǎn)的HC2-IC 濕度傳感器,測(cè)量溫度范圍為-100~200 ℃,相對(duì)濕度范圍為5% ~ 95% RH;芬蘭Vaisala 生產(chǎn)的HMP7 濕度傳感器,測(cè)量溫度范圍為-70~180 ℃,相對(duì)濕度范圍為0%~100% RH等。

        美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)在2010年開展了高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置研究,并建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。NIST 研制的高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置可產(chǎn)生露點(diǎn)溫度范圍為85~200 ℃,壓力范圍為0.2~1.6 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)濕氣。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了高溫濕度發(fā)生裝置,該裝置可產(chǎn)生露點(diǎn)溫度為80 ℃的標(biāo)準(zhǔn)濕氣。

        目前我國(guó)濕度基準(zhǔn)露點(diǎn)溫度上限為80 ℃[2],缺乏針對(duì)高溫(特別是100 ℃以上)高壓條件下濕度參數(shù)的校準(zhǔn)手段。為解決該問(wèn)題,本文研制了一套高壓水分發(fā)生器,用于產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)范圍為0.5%~15%(對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度范圍為-2.8~110 ℃),絕對(duì)壓力范圍為0.1~1 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)濕氣,以滿足高溫高壓條件下濕度參數(shù)的溯源需求,為實(shí)現(xiàn)高溫高壓環(huán)境中濕度參數(shù)高準(zhǔn)確度計(jì)量奠定基礎(chǔ)。

        1 高壓水分發(fā)生器的原理及構(gòu)成

        1.1 系統(tǒng)原理

        高壓水分發(fā)生器的工作原理如圖1所示。該水分發(fā)生器基于單溫單壓法原理,即通過(guò)改變濕度發(fā)生器內(nèi)飽和器的溫度與壓力,最終得到所需壓力與溫度下的標(biāo)準(zhǔn)濕氣[3]。氣源可使用高純氮?dú)饣蚩諝?,氣源出氣需?jīng)過(guò)減壓閥,以減小氣源波動(dòng)對(duì)高壓水分發(fā)生器的影響[4]。

        圖1 高壓水分發(fā)生器原理圖Fig.1 Schematic diagram of high-pressure moisture generator

        氣體進(jìn)入發(fā)生器后,首先通過(guò)壓力控制器將進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)至所需壓力值,發(fā)生器的內(nèi)部氣體流量通過(guò)質(zhì)量流量控制器進(jìn)行控制。氣體經(jīng)過(guò)控壓后進(jìn)入特定溫度環(huán)境的飽和器內(nèi),在飽和器內(nèi)產(chǎn)生設(shè)定溫度與壓力下的飽和濕氣,經(jīng)過(guò)加熱管路后,最終輸出體積分?jǐn)?shù)范圍為0.5% ~ 15%(對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度范圍為-2.8 ~ 110 ℃),絕對(duì)壓力范圍為0.1 ~ 1 MPa的標(biāo)準(zhǔn)濕氣。

        已知體積分?jǐn)?shù)w與飽和器壓力P,則飽和器內(nèi)的飽和水蒸氣壓ew的計(jì)算公式為

        計(jì)算對(duì)應(yīng)的飽和器所需設(shè)定的露點(diǎn)溫度Td為

        式中:Td為露點(diǎn)溫度(開氏溫度);ci、di為計(jì)算系數(shù),數(shù)值分別為c0= 207.982 33,c1=-20.156 028,c2= 0.467 789 25,c3=-9.228 806 7 × 10-6,d0= 1,d1=- 0.133 196 69,d2= 5.657 751 8 × 10-3,d3=-7.517 286 5 × 10-5。

        換算得到攝氏露點(diǎn)溫度td,即

        根據(jù)式(1)~式(3),通過(guò)用戶設(shè)定的壓力P與體積分?jǐn)?shù)w,在壓力范圍0.1~1.0 MPa 的條件下,生成體積分?jǐn)?shù)范圍0.5%~15%的標(biāo)準(zhǔn)濕氣,可對(duì)應(yīng)計(jì)算出飽和器所需發(fā)生的露點(diǎn)溫度范圍為-2.8 ~110 ℃。

        1.2 高壓水分發(fā)生器結(jié)構(gòu)組成

        高壓水分發(fā)生器由飽和系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)與控制系統(tǒng)組成。飽和器結(jié)構(gòu)分為兩部分,分別為高露點(diǎn)段與低露點(diǎn)段,需根據(jù)飽和溫度的不同選擇不同露點(diǎn)溫度段的飽和器進(jìn)行水汽飽和;氣路系統(tǒng)由調(diào)壓裝置、換熱管路、加熱管路、氣路切換裝置等組成,為氣體在發(fā)生器內(nèi)提供不同壓力或溫度條件下的傳輸路徑;控制系統(tǒng)完成對(duì)壓力、進(jìn)氣流量、飽和器溫度的調(diào)控,并負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)飽和器氣路切換、加熱管路溫度監(jiān)測(cè)。高壓水分發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 高壓水分發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of high-pressure moisture generator system

        各系統(tǒng)之間氣路采用1/4卡套接頭與1/4NPT接頭連接,通訊線路采用RS485連接。該發(fā)生器的各系統(tǒng)部件協(xié)同工作,最終可產(chǎn)生所需的高溫高壓下的標(biāo)準(zhǔn)濕氣。

        2 高壓水分發(fā)生器的設(shè)計(jì)

        2.1 飽和系統(tǒng)

        飽和系統(tǒng)屬于兩相流接觸的場(chǎng)所[5],氣體的傳熱傳質(zhì)過(guò)程在飽和系統(tǒng)內(nèi)完成,其設(shè)計(jì)原則是:確保氣體與水有充分的接觸時(shí)間且出氣不能夾帶水滴,同時(shí)還要減少氣體在飽和系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失[6]。

        根據(jù)1.1 節(jié)計(jì)算出的飽和器的露點(diǎn)溫度范圍,為了提高飽和器的飽和效率,該發(fā)生器的飽和器設(shè)計(jì)為低露點(diǎn)與高露點(diǎn)兩個(gè)飽和器并聯(lián)的形式。低露點(diǎn)與高露點(diǎn)飽和器分別設(shè)計(jì)有進(jìn)水口與排水口,同時(shí)高露點(diǎn)飽和器內(nèi)設(shè)計(jì)有液位計(jì),可提醒用戶及時(shí)加水。

        在高露點(diǎn)段(td> 20 ℃),飽和器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鼓泡式飽和器。為了提高飽和器的飽和效率,飽和器設(shè)計(jì)為二級(jí)飽和,分為預(yù)飽和器與主飽和器。氣體先進(jìn)入換熱盤管進(jìn)行換熱,然后進(jìn)入該飽和器進(jìn)行水汽飽和;在低露點(diǎn)段(td≤ 20 ℃),飽和器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多層疊盤式,氣體先經(jīng)過(guò)該飽和器增濕或除濕,再進(jìn)入換熱盤管中進(jìn)行換熱[7]。同時(shí)在低溫疊盤式飽和器的進(jìn)氣口設(shè)計(jì)有聚甲醛絕熱蓋,防止氣源中水汽過(guò)多導(dǎo)致飽和器內(nèi)發(fā)生冰堵現(xiàn)象。兩個(gè)飽和器進(jìn)氣與出氣管路上均設(shè)計(jì)有電磁閥,可通過(guò)控制電磁閥的通斷選擇特定的飽和器進(jìn)行水汽飽和。

        為了防止氣體在高溫飽和器出氣氣路中發(fā)生水汽冷凝,飽和器出氣段設(shè)計(jì)有加熱管路,管路的加熱溫度根據(jù)飽和器當(dāng)前發(fā)生的露點(diǎn)溫度進(jìn)行設(shè)定,通常需要比飽和器當(dāng)前露點(diǎn)溫度值高10 ℃左右[8]。

        飽和器材質(zhì)選取316型不銹鋼,內(nèi)壁均采取化學(xué)電拋光處理,根據(jù)飽和器的壓力范圍,設(shè)計(jì)飽和器壁厚為3 mm。飽和器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

        圖3 飽和器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of saturator design

        2.2 氣路系統(tǒng)

        氣路系統(tǒng)包括調(diào)壓裝置、換熱管路、加熱管路、氣路切換管路等,為氣體在發(fā)生器內(nèi)提供不同壓力或溫度條件下的路徑。調(diào)壓裝置由壓力控制器、高溫氣體流量控制器組成,用于控制飽和器內(nèi)部壓力與管路內(nèi)的氣體流量;加熱管路設(shè)計(jì)在高溫飽和器出氣段與測(cè)量室進(jìn)氣段之間,防止高溫露點(diǎn)氣體在飽和器與測(cè)量室之間的管路中冷凝,在對(duì)應(yīng)的管路中緊密纏繞加熱帶與保溫材料,加熱驅(qū)動(dòng)元件選用單相功率調(diào)整器。

        加熱管路的保溫材料需使用耐熱膠進(jìn)行粘貼固定。比較了橡塑保溫棉、硅酸鋁保溫棉、聚氨酯發(fā)泡與酚醛樹脂發(fā)泡等材料[9],綜合考慮保溫性能、安裝及拆卸的難易程度、環(huán)保性、價(jià)格等因素,最終選用橡塑保溫棉作為保溫材料。橡塑保溫棉多適用于-40 ~ 120 ℃下的設(shè)備保溫,導(dǎo)熱系數(shù)約為0.034 W·m-2·K-1[10],具有隔熱、隔音、易加工、便于安裝操作等優(yōu)點(diǎn)。

        氣體切換管路位于高溫與低溫飽和器的進(jìn)氣口與出氣口,共包含4個(gè)電磁閥。通過(guò)設(shè)定的水分含量與絕對(duì)壓力計(jì)算飽和器設(shè)定的露點(diǎn)溫度,當(dāng)td> 20 ℃時(shí),高溫飽和器氣路的2 個(gè)電磁閥開啟,低溫飽和器氣路的2個(gè)電磁閥關(guān)閉,氣體通過(guò)高溫鼓泡飽和器進(jìn)行水汽飽和;當(dāng)td≤ 20 ℃時(shí),低溫飽和器氣路的2 個(gè)電磁閥開啟,高溫飽和器氣路的2個(gè)電磁閥關(guān)閉,以此達(dá)到氣路切換的目的。氣路系統(tǒng)連接如圖4所示。

        圖4 氣路系統(tǒng)連接圖Fig.4 Air circuit system connection diagram

        2.3 控制系統(tǒng)

        控制系統(tǒng)由控制電路、觸摸屏、壓力控制器、質(zhì)量流量控制器等部分組成??刂齐娐返暮诵臑槲⒖刂破鳎⒖刂破鞯耐鈬娐房杉?xì)化分為通訊接口電路、數(shù)據(jù)采集電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路、供電電路等,數(shù)據(jù)采集電路可細(xì)分為開關(guān)量采集電路、測(cè)溫電路等??刂齐娐吠瓿珊銣叵到y(tǒng)溫度、加熱管路溫度、飽和器進(jìn)氣壓力、飽和器進(jìn)氣流量等參數(shù)的采集、控制與信號(hào)輸出;觸摸屏完成對(duì)以上各參數(shù)的集中顯示與設(shè)置。

        通過(guò)控制電路與相應(yīng)元器件進(jìn)行通訊連接,完成進(jìn)氣流量、飽和溫度、加熱管路溫度、飽和器壓力控制的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與控制[11]。控制系統(tǒng)連接圖如圖5所示。

        圖5 控制系統(tǒng)連接圖Fig.5 Control system connection diagram

        為了便于導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù),觸控屏及軟件均設(shè)計(jì)有上位機(jī)通訊功能,可通過(guò)上位機(jī)輸入相應(yīng)指令,對(duì)各參量值進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)定與讀取,便于用戶后續(xù)統(tǒng)一監(jiān)控以及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。觸控屏的人機(jī)交互界面包括主界面、參數(shù)監(jiān)控界面、參數(shù)修正界面,其中主界面如圖6所示。

        圖6 觸控屏主界面Fig.6 Main interface of touch screen

        3 性能試驗(yàn)及不確定度分析

        為了驗(yàn)證該高壓水分發(fā)生器在體積分?jǐn)?shù)范圍0.5% ~ 15%(對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度范圍-2.8 ~ 110 ℃),絕對(duì)壓力范圍0.1 ~ 1 MPa 下的技術(shù)指標(biāo),選用MBW 373LX 精密露點(diǎn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器,測(cè)量高壓水分發(fā)生器在常壓下的露點(diǎn)溫度td373。將精密露點(diǎn)儀測(cè)量的常壓露點(diǎn)溫度轉(zhuǎn)換為當(dāng)前飽和器壓力下的露點(diǎn)溫度t'd373,再與高壓水分發(fā)生器顯示的露點(diǎn)溫度td進(jìn)行比較[12]。

        氣路連接方式為在高壓水分發(fā)生器出氣口接入減壓閥,將出氣壓力減至0.1 MPa(常壓下),再接入精密露點(diǎn)儀的進(jìn)氣口。為了防止連接氣路中有水冷凝,高壓水分發(fā)生器與精密露點(diǎn)儀之間的管路為加熱管路,加熱管路的設(shè)定溫度應(yīng)高于當(dāng)前高壓水分發(fā)生器發(fā)生的露點(diǎn)溫度約10 ℃。試驗(yàn)氣路連接圖如圖7所示。

        圖7 試驗(yàn)氣路連接圖Fig.7 Test gas circuit connection diagram

        開啟高壓水分發(fā)生器,飽和器壓力P、體積分?jǐn)?shù)w、進(jìn)氣流量Q設(shè)定值如表1所示。

        表1 高壓水分發(fā)生器設(shè)定值Tab.1 Set value of high-pressure moisture generator

        將高壓水分發(fā)生器顯示的露點(diǎn)溫度td與精密露點(diǎn)儀在當(dāng)前飽和器壓力下的露點(diǎn)溫度t'd373的值進(jìn)行對(duì)比[13],結(jié)果如圖8所示。

        圖8 高壓水分發(fā)生器露點(diǎn)值與精密露點(diǎn)儀露點(diǎn)值對(duì)比圖Fig.8 Comparison of dew point values between high pressure moisture generator and precision dew point instrument

        根據(jù)圖8可知,高壓水分發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)范圍為0.5%~15%(對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度范圍為-2.8~110 ℃),絕對(duì)壓力范圍為0.1~1 MPa的標(biāo)準(zhǔn)濕氣。

        根據(jù)式(2)可知,高壓水分發(fā)生器產(chǎn)生露點(diǎn)與飽和器內(nèi)的飽和水蒸氣壓有關(guān),飽和器內(nèi)的飽和水蒸氣壓計(jì)算公式為

        式中:Ts為混氣室內(nèi)氣體的露點(diǎn)溫度(開氏溫度),gi為計(jì)算系數(shù),數(shù)值分別為g0= - 2 836.574 4,g1= - 6 028.076 559,g2= 19.542 636 12,g3=- 0.027 378 301 886,g4= 1.626 169 8 × 10-5,g5=7.022 905 6 × 10-10,g6= - 1.868 000 9 × 10-13,g7= 2.715 030 5。

        根據(jù)式(2)和式(4),保證Ts、P任意一個(gè)參數(shù)不變,微小地改變第二個(gè)參數(shù)值,計(jì)算靈敏系數(shù)。靈敏系數(shù)如表2所示。

        表2 靈敏系數(shù)Tab.2 Sensitivity coefficient

        高壓水分發(fā)生器露點(diǎn)溫度不確定度的主要分量包括飽和系統(tǒng)內(nèi)溫度測(cè)量與控制引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1、飽和系統(tǒng)壓力測(cè)量與控制引入的不確定度u2、飽和系統(tǒng)飽和度引入的不確定度u3、飽和水蒸氣壓引入的不確定度u4[14]、水蒸氣濃度變化引入的不確定度u5[15]。各不確定度分量大小如表3所示。

        表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Tab.3 Standard uncertainty component

        露點(diǎn)溫度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式為

        取包含因子k= 2,高壓水分發(fā)生器露點(diǎn)溫度的擴(kuò)展不確定度為

        計(jì)算得到U= 0.50~0.52 ℃(k= 2)。

        4 結(jié)論

        基于單溫單壓原理,自主研制了一套高壓水分發(fā)生器,其可產(chǎn)生體積分?jǐn)?shù)范圍為0.5%~15%(對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度范圍為-2.8~110 ℃),絕對(duì)壓力范圍為0.1~1 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)濕氣,能夠有效滿足高溫高壓環(huán)境下濕度量值的溯源需求。該高壓水分發(fā)生器結(jié)構(gòu)緊湊、操作便捷、準(zhǔn)確性好,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益,為推動(dòng)我國(guó)高溫高壓條件下濕度計(jì)量技術(shù)發(fā)展提供了有力支撐,同時(shí)為濕度計(jì)量領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化儀器研制提供了重要借鑒。

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